Войти
Последствия взрыва котла около Осло, Норвегия, 1893 год. Один локомотив был брошен в воздух и приземлился на крышу другого; экипажи обоих спаслись без травм A взрыв котла - это катастрофический отказ котла. Есть два типа взрыва котла. Один из типов - это выход из строя напорных частей сторон пара и воды. Причин может быть много, например, выход из строя предохранительного клапана, коррозия критических частей котла или низкий уровень воды. Коррозия по краям соединений внахлест была частой причиной ранних взрывов котлов.
Второй вид - это взрыв топлива / воздуха в топке, который правильнее было бы назвать взрывом топки. Взрывы топки твердотопливных котлов случаются редко, но взрывы топки газовых или жидких котлов все еще представляют потенциальную опасность.
Авария в Краш, Техас, 1896, в котором котлы двух локомотивов врезались друг в друга во время рекламного трюка; два человека погибли в результате инцидента, и многие другие были ранены. Существует множество причин взрыва котла, таких как плохая очистка воды, вызывающая образование накипи и перегрев пластин, низкий уровень воды, заклинивший предохранительный клапан или даже печь взрыв, который в свою очередь, если он достаточно сильный, может вызвать взрыв котла. Плохая подготовка операторов, приводящая к небрежному обращению с котлом или другому неправильному обращению с ним, была частой причиной взрывов с начала промышленной революции. В конце 19-го и начале 20-го века отчеты инспекций из различных источников в США, Великобритании и Европе показали, что наиболее частой причиной взрывов котлов было ослабление котлов из-за простой ржавчины, от двух до пяти раз больше, чем все остальные. другие причины.
До того, как наука о материалах, стандарты инспекции и контроль качества догнали быстрорастущую промышленность по производству котлов, значительное количество взрывов котлов было напрямую связано с плохой конструкцией, производственным качеством и необнаруженными недостатками в материалах низкого качества. Тревожная частота отказов котлов в США из-за дефектов материалов и конструкции привлекала внимание международных организаций по инженерным стандартам, таких как ASME, который ввел свой первый Кодекс испытаний котлов в 1884 году. Взрыв котла который вызвал катастрофу на обувной фабрике Grover в Броктоне, штат Массачусетс, 10 марта 1905 года, в результате чего 58 человек погибло и 117 человек получили травмы, и вдохновило штат Массачусетс на публикацию своих первых законов о котлах в 1908 году.
В нескольких письменных источниках приводится краткое описание причин взрывов котлов:
«Основные причины взрывов, фактически единственные причины, - это недостаточная прочность корпуса или других частей котла, избыточное давление и - нагрев. Недостаточная прочность паровых котлов может быть вызвана первоначальными дефектами, плохим качеством изготовления, износом в результате использования или неправильным управлением ».
И:
« Причина. - Взрывы котла всегда происходят из-за того, что какая-то часть котел по какой-то причине слишком слабый, чтобы выдерживать давление, которому он подвергается. Это может быть вызвано одной из двух причин: либо котел недостаточно силен, чтобы безопасно выдерживать надлежащее рабочее давление, либо давление поднялось выше обычной точки из-за заедания предохранительных клапанов, либо по другой подобной причине. "
Хотя износ и неправильное обращение, вероятно, являются наиболее частыми причинами взрывов котла, реальный механизм катастрофического отказа котла не был хорошо задокументирован до тех пор, пока не были предприняты обширные эксперименты Инспекторы котлов США в начале 20 века. Было предпринято несколько различных попыток вызвать взрыв котла с помощью различных средств, но один из самых интересных экспериментов продемонстрировал, что в определенных обстоятельствах, если внезапное открытие котла позволяло пару выходить слишком быстро., гидравлический удар мог вызвать разрушение всего сосуда высокого давления:
«Цилиндрический котел был испытан и выдержал давление пара 300 фунтов без но травма ».« Когда [нагнетательный] клапан был внезапно открыт при давлении 235 фунтов [235 фунтов на квадратный дюйм или 1620 кПа], котел сломался, железо было скручено, разорвано на фрагменты и брошено во все стороны. Причина этого заключалась в том, что внезапный выброс пара из котла в сливную трубу очень быстро снижал давление в котле. Это снижение давления вызвало внезапное образование большого количества пара в воде, и большая масса воды, с большой силой брошенная к отверстию, через которое отводился пар, ударила по частям котла рядом с этим отверстием и вызвала перелом ».
Но очень разрушительный механизм гидроудара при взрывах котла был понят задолго до того, как писал Д.К. Кларк 10 февраля 1860 года в письме в редакцию журнала« Механика » ":
" Внезапное рассеивание и выброс воды в котле на ограничивающие поверхности котла является главной причиной неистовства результатов: рассеяние, вызванное мгновенным образованием пара по всей массе вода, и в своих усилиях вырваться, она несет воду перед собой, и объединенный импульс пара и воды переносит их, как дробь, сквозь ограничивающие поверхности и деформирует или разбивает их таким образом n не должно быть объяснено простым избыточным давлением или простым импульсом пара ».
Взрывы котла обычны для тонущих судов, когда перегретый котел соприкасается с холодной морской водой, поскольку внезапное охлаждение перегретого металла вызывает его растрескивание; например, когда SS Benlomond был торпедирован подводной лодкой, торпеды и последовавший за этим взрыв котла привели к тому, что корабль затонул через две минуты, в результате чего Пун Лим остался единственным выжившим.
Взрывы котлов представляют особую опасность в (локомотивных) жаротрубных котлах, поскольку верх топка (кронштейн) должна быть постоянно залита некоторым количеством воды; или жар огня может ослабить верхнюю пластину или выступы до точки разрушения даже при нормальном рабочем давлении.
Это стало причиной взрыва топки Геттисбергской железной дороги возле Гарднерса, штат Пенсильвания, в 1995 году, когда из-за низкого уровня воды передняя часть листа короны перегрелась до тех пор, пока обычная корона не осталась протянутой сквозь лист, высвободив большое количество воды. пара и воды под полным давлением котла в топку. Конструкция листа короны включала в себя несколько чередующихся рядов предохранительных стержней с полукруглой головкой, которые ограничивали выход из строя листа короны первыми пятью или шестью рядами обычных стержней, предотвращая обрушение всего листа короны.
Этот тип отказа не ограничивается железнодорожными двигателями, поскольку котлы локомотивного типа использовались для тяговых двигателей, переносных двигателей, бортовых двигателей, используемых в горнодобывающей промышленности или лесозаготовках, стационарных двигателей для лесопильных заводов и заводов, для отопления, и как котлы, подающие пар для других процессов. Во всех случаях поддержание надлежащего уровня воды необходимо для безопасной работы.
Многие котлы кожухотного типа несут большую ванну с жидкой водой, которая нагревается до более высокой температуры и давления (энтальпия ), чем кипящая вода при атмосферном давлении. давление. Во время нормальной работы жидкая вода остается в нижней части котла из-за силы тяжести, пузырьки пара поднимаются через жидкую воду и собираются вверху для использования до тех пор, пока не будет достигнуто давление насыщения, после чего кипение прекратится. Если немного сбросить давление, снова начинается кипение и так далее.
Если пар выпускается нормально, например, при открытии дроссельной заслонки, барботаж воды остается умеренным, и относительно сухой пар может поступать из самой высокой точки емкости.
Если пар выпускается быстрее, более интенсивное кипение может привести к выбросу мелких капель в виде «влажного пара», что может вызвать повреждение трубопроводов, двигателей, турбин и другого оборудования, расположенного ниже по потоку.
Если большая трещина или другое отверстие в корпусе котла позволяет внутреннему давлению резко упасть, тепловая энергия, остающаяся в воде, приведет к тому, что еще больше жидкости превратится в пузырьки пара, которые затем быстро вытеснят оставшаяся жидкость. Потенциальная энергия выходящего пара и воды теперь преобразуется в работу, как это было бы в двигателе; с достаточной силой, чтобы оторвать материал вокруг разрыва, сильно искажая форму пластины, которая раньше удерживалась на месте подпорками, или самоподдерживающейся своей первоначальной цилиндрической формой. Быстрое выделение пара и воды может вызвать очень сильный взрыв и нанести большой ущерб окружающему имуществу или персоналу.
Быстро расширяющиеся пузырьки пара могут также выполнять работу, выбрасывая большие «пробки» воды внутрь котла в направлении отверстия и с поразительной скоростью. Быстро движущаяся масса воды несет в себе большое количество кинетической энергии (от расширяющегося пара), и столкновение с корпусом котла приводит к сильному разрушительному эффекту. Это может значительно увеличить первоначальный разрыв или разорвать оболочку надвое.
Многие сантехники, пожарные и парфитеры знают об этом явлении, которое называется «гидроудар ". «Пробка» воды в несколько унций, проходящая через паропровод с высокой скоростью и ударяющаяся по изгибу под углом 90 градусов, может мгновенно сломать фитинг, который в противном случае способен выдерживать в несколько раз большее статическое давление. Тогда можно понять, что несколько сотен или даже несколько тысяч фунтов воды, движущихся с той же скоростью внутри корпуса котла, могут легко взорвать трубную решетку, разрушить топку, даже отбросить весь котел на удивительное расстояние в результате реакции, поскольку вода выходит из котла, как отдача тяжелой пушки, стреляющей шаром.
В нескольких отчетах об аварии на экспериментальном реакторе SL-1 наглядно описывается невероятно мощное воздействие гидроудара на сосуд высокого давления:
«Расширение, вызванное этим процессом нагрева, вызвало гидроудар поскольку вода ускорялась вверх к головке корпуса реактора, создавая давление примерно 10000 фунтов на квадратный дюйм (69000 кПа) на верхнюю часть корпуса реактора, когда вода ударялась о головку со скоростью 160 футов в секунду (50 м / с)... Эта экстремальная форма гидроудара привела к движению регулирующих стержней, защитных заглушек и всего корпуса реактора вверх. Более позднее расследование показало, что судно весом 26 000 фунтов (12 000 кг) совершило прыжок на 9 футов 1 дюйм (2,77 м) и верхний привод стержня управления механизмы ударились о потолок здания реактора, прежде чем вернуться на свое первоначальное место »
Паровоз, работающий при давлении 350 фунтов на квадратный дюйм (2400 кПа), будет иметь температуру около 225 ° C (437 ° F) и определенную энтальпия 963,7 кДж / кг (437,1 кДж / фунт). Поскольку вода, насыщенная стандартным давлением, имеет удельную энтальпию всего 418,91 кДж / кг (190,01 кДж / фунт), разница между двумя удельными энтальпиями, 544,8 кДж / кг (247,1 кДж / фунт), представляет собой полную энергию, затраченную на взрыв. Таким образом, в случае большого локомотива, который может удерживать до 10 000 кг (22 000 фунтов) воды при высоком давлении и температуре, этот взрыв будет иметь теоретическое выделение энергии, равное примерно 1160 кг (2560 фунтов) TNT.
В случае взрыва топки они обычно происходят после сгорания горелки пламени. Внутри камеры сгорания могут накапливаться масляные пары, природный газ, пропан, уголь или любое другое топливо. Это особенно важно, когда сосуд горячий; топливо быстро улетучивается из-за температуры. При достижении нижнего предела взрываемости (НПВ) любой источник воспламенения вызовет взрыв паров.
Взрыв топлива в пределах топки может повредить трубы котла под давлением и внутреннюю оболочку, что может вызвать разрушение конструкции, утечку пара или воды и / или повреждение оболочки вторичного котла и паровой взрыв.
Обычная форма небольшого «взрыва» топки известна как «барабан» и может произойти с любым типом топлива. Вместо обычного «грохота» огня, ритмичная серия «ударов» и вспышек огня под решеткой и через топку указывает на то, что сгорание топлива происходит через серию быстрых взрывов из-за несоответствующей топливно-воздушной смеси с учетом имеющейся тяги. Обычно это не вызывает повреждений в котлах локомотивного типа, но может вызвать трещины в настройках каменного котла, если продолжить.
Плиты ранних тепловозных котлов соединялись простыми соединениями внахлест. Такая практика была удовлетворительной для кольцевых стыков, проходящих вокруг котла, но в продольных стыках по длине котла перекрытие пластин отклоняло поперечное сечение котла от его идеальной круглой формы. Под давлением котел старался достичь как можно более круглого поперечного сечения. Поскольку перекрытие двойной толщины было сильнее, чем окружающий металл, повторяющиеся изгибы и разъединения, вызванные колебаниями давления в котле, вызывали внутренние трещины или бороздки (глубокие точечные коррозии) по длине соединения. Трещины стали отправной точкой для внутренней коррозии, которая могла ускорить выход из строя. В конечном итоге было обнаружено, что эту внутреннюю коррозию можно уменьшить, используя пластины достаточного размера, чтобы никакие стыки не располагались ниже уровня воды. В конце концов, простой шов внахлест был заменен одинарным или двойным стыковым швом, который не страдает этим дефектом.
Из-за постоянного расширения и сжатия топки аналогичная форма «коррозии под напряжением» может иметь место на концах анкерных болтов, где они входят в плиты топки, и ускоряется из-за низкого качества воды. Этот тип коррозии, часто называемый «образование шейки», может снизить прочность анкерных болтов до тех пор, пока они не станут неспособными поддерживать топку при нормальном давлении.
Канавки (глубокая локальная точечная коррозия) также возникает около ватерлинии, особенно в котлах, в которые подается вода, которая не была деаэрирована или обработана агентами, поглощающими кислород. Все «естественные» источники воды содержат растворенный воздух, который выделяется в виде газа при нагревании воды. Воздух (содержащий кислород) собирается слоем у поверхности воды и значительно ускоряет коррозию плит котла в этой области.
Сложная форма локомотивной топки, независимо от того, изготовлены ли они из мягкой меди или стали, они могут противостоять давлению пара на свои внутренние стенки только в том случае, если они поддерживаются стойками, прикрепленными к внутренним балкам и внешним стенам. Они могут выйти из строя из-за усталости (поскольку внутренняя и внешняя стенки расширяются с разной скоростью под воздействием тепла), из-за коррозии или истощения, так как головки стоек, подвергшихся воздействию огня, сгорают. прочь. Если костыль выйдет из строя, топка взорвется внутрь. Для предотвращения этого используется регулярный визуальный осмотр, как внутри, так и снаружи. Даже ухоженная топка выйдет из строя со взрывом, если уровень воды в котле упадет настолько, что верхняя плита топки останется открытой. Это может произойти при пересечении вершины холма, так как вода течет в переднюю часть котла и может обнажить лист топки. Большинство взрывов локомотивов - это взрывы топки, вызванные раскрытием такого покрытия.
Пароход взрывается в Мемфисе, Теннесси в 1830 году Пенсильвания был пароходом с бортовым колесом, который пострадал от взрыва котла в реке Миссисипи и затонул на Корабельном острове недалеко от Мемфиса, штат Теннесси, 13 июня 1858 года. Из 450 пассажиров на борту погибло более 250, включая Генри Клеменса, младшего брата автор Марк Твен.
SS Ada Hancock, небольшой пароход, используемый для перевозки пассажиров и грузов на большие прибрежные пароходы, которые останавливались в Сан-Педро-Харбор в начале 1860-х годов потерпел катастрофу, когда его котел сильно взорвался в Сан-Педро-Бэй, порт Лос-Анджелес, недалеко от Уилмингтона, Калифорния 27 апреля 1863 г. убиты двадцать шесть человек и ранены многие из пятидесяти трех или более пассажиров на борту.
Пароход «Султана» был уничтожен взрывом 27 апреля 1865 года, что привело к крупнейшей морской катастрофе в истории Соединенных Штатов. Приблизительно 1549 пассажиров погибли, когда взорвались три из четырех котлов корабля, а «Султана» загорелась и затонула недалеко от Мемфиса, штат Теннесси. Причина кроется в плохо выполненном ремонте корпуса одного котла; заплатка не прошла, и обломки этого котла разорвали еще два.
Еще одним взрывом парохода времен Гражданской войны в США был пароход «Затмение» 27 января 1865 года, на котором находились члены 9-й артиллерийской орудия штата Индиана. В одном официальном отчете Records упоминается о 10 погибших и 68 раненых; в более позднем отчете упоминается, что 27 человек были убиты и 78 ранены. Fox's Regimental Loses сообщает о 29 убитых.
Стационарные паровые двигатели, используемые для питания машин, впервые стали известны во время промышленной революции, и в первые дни было много взрывов котлов по разным причинам. Одним из первых исследователей этой проблемы был Уильям Фэйрбэрн, который помог создать первую страховую компанию, которая занималась бы ущербом, который могли причинить такие взрывы. Он также экспериментально установил, что кольцевое напряжение в цилиндрическом сосуде высокого давления, таком как котел, было вдвое больше продольного напряжения. Такие исследования помогли ему и другим объяснить важность концентраций напряжения для ослабления котлов.
Современные котлы спроектированы с резервными насосами, клапанами, датчиками уровня воды, отсечкой подачи топлива, автоматическим управлением и предохранительными клапанами. Кроме того, строительство должно соответствовать строгим инженерным нормам, установленным соответствующими органами. NBIC, ASME и другие пытаются обеспечить безопасные конструкции котлов, публикуя подробные стандарты. В результате получается котельная, которая менее подвержена катастрофическим авариям.
Также повышением безопасности является все более широкое использование «котлов в корпусе». Это котлы, которые изготавливаются на заводе, а затем отправляются целиком на строительную площадку. Как правило, они имеют лучшее качество и меньше проблем, чем котлы, которые собираются на месте труба за трубой. Комбинированный котел требует выполнения только окончательных подключений (электрические, разрывные, конденсатопроводные и т. Д.) Для завершения установки.
В паровых локомотивах котлы, поскольку знания были получены методом проб и ошибок в первые дни, взрывоопасные ситуации и последующие повреждения чтобы взрывы были неизбежны. Однако улучшенная конструкция и обслуживание заметно снизили количество взрывов котлов к концу XIX века. Дальнейшие улучшения продолжились в 20 веке.
На наземных котлах взрывы напорных систем регулярно происходили в стационарных паровых котлах в викторианскую эпоху, но сейчас они очень редки из-за различных защит при условии, и из-за регулярных проверок, вызванных правительственными и отраслевыми требованиями.
Водонагреватели могут взорваться с удивительной силой при выходе из строя их предохранительных устройств.
Паровой взрыв может произойти в водонагревателе любого типа, в котором доставляется достаточное количество энергии, а создаваемый пар превышает прочность корпуса. Когда подача тепла происходит достаточно быстро, может произойти локальный перегрев, в результате которого гидравлический удар разрушит сосуд. Авария на ядерном реакторе SL-1 является примером выброса перегретого пара. Однако в примере SL1 давление было сброшено за счет принудительного выброса управляющих стержней, что позволило выпустить пар. Реактор не взорвался, и корпус не разорвался.
Последствия взрыва котла на железнодорожном локомотиве около 1850 года. Хьюисон (1983) дает исчерпывающий отчет о взрывах британских котлов, перечисляя 137 взрывов между 1815 и 1962 годами. Примечательно, что 122 из них были в 19 веке и только 15 - в 20 веке.
Взрывы котлов обычно делятся на две категории. Первый - это поломка самого корпуса котла из-за ослабления / повреждения или чрезмерного внутреннего давления, что приводит к внезапному выбросу пара на большую площадь. Коррозионное растрескивание под напряжением в соединениях внахлест было частой причиной ранних взрывов котлов, вероятно, вызванных каустической хрупкостью. Вода, используемая в котлах, не всегда строго контролировалась, и если она была кислой, она могла вызвать коррозию кованого железа плиты котла. Гальваническая коррозия была дополнительной проблемой, когда медь и железо контактировали. Плиты котла были выброшены на четверть мили (Хьюисон, Ролт). Второй тип - это обрушение топки под давлением пара от соседнего котла с выбросом пламени и горячих газов в кабину. Улучшенная конструкция и обслуживание почти полностью исключили первый тип, но второй тип всегда возможен, если инженер и пожарный не поддерживают уровень воды в котле.
Бочки котла могут взорваться, если внутреннее давление станет слишком высоким. Для предотвращения этого были установлены предохранительные клапаны для сброса давления на заданном уровне. Ранние образцы были подпружинены, но Джон Рэмсботтом изобрел защищенный от несанкционированного доступа клапан, который был принят повсеместно. Другой частой причиной взрывов была внутренняя коррозия, которая ослабила корпус котла и не выдержал нормального рабочего давления. В частности, вдоль горизонтальных швов (стыков внахлест) ниже уровня воды могут образоваться бороздки. В результате произошли десятки взрывов, но к 1900 году они были устранены за счет применения стыковых соединений, а также улучшенных графиков технического обслуживания и регулярных гидравлических испытаний.
Топки обычно изготавливались из меди, хотя более поздние локомотивы имели стальные топки. Они крепились к внешней части котла подпорками (многочисленными небольшими опорами). Части топки, контактирующие с полным давлением пара, должны быть покрыты водой, чтобы предотвратить их перегрев и разрушение. Обычно причиной обрушения топки является то, что уровень воды в котле опускается слишком низко, а верх топки (верхний лист) открывается и перегревается. Это происходит, если пожарный не смог поддерживать уровень воды или индикатор уровня (мерное стекло) неисправен. Менее распространенной причиной является поломка большого количества стоек из-за коррозии или использования неподходящего материала.
В течение ХХ века в Великобритании произошло два отказа ствола котла и тринадцать обрушений топки. Неисправности бочки котла произошли в Кардиффе в 1909 году и Бакстоне в 1921 году; оба были вызваны неправильной сборкой предохранительных клапанов, в результате чего котлы превысили расчетное давление. Из 13 обрушений топки четыре произошли из-за поломки костылей, один - из-за отложений на топке, а остальные - из-за низкого уровня воды.
| date =() | На Викискладе есть средства массовой информации, связанные с взрывами котлов. |
